고효율 차세대 태양광 발전 기반기술 나왔다

건국대학교 문두경 교수(화학공학부) 연구팀이 유기 태양전지(Organic Solar Cell, OSC) 모듈에서 발생하는 효율 저하 문제를 해결할 수 있는 혁신적인 기술을 개발했다. 해당 연구 결과는 세계적 권위의 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 1월호에 게재돼 유기 태양전지의 상용화를 앞당길 핵심 기술로 주목받고 있다.

유기 태양전지는 가볍고 유연하며 대량 생산이 가능해 차세대 태양광 발전 기술로 주목받고 있다. 그러나 소형 단위셀에서는 높은 효율을 기록하더라도, 이를 대면적 모듈로 확장하면 효율이 급격히 감소하는 문제가 있었다. 이러한 효율 저하는 전하 수송 경로의 불균일성, 박막 형성의 비균질성, 저항 증가 및 재결합 손실 등의 기술적 한계 때문으로 유기 태양전지의 상업화를 가로막는 대표적인 문제로 지적돼 왔다.

본 연구는 광활성층의 사전 응집(Preaggregation) 제어 기법을 활용해 고분자 사슬 얽힘(Chain Entanglement) 효과를 유도하는 방식을 적용했다. 이를 통해 균일한 박막 구조를 형성하고 전하 이동 경로를 최적화하는 데 성공했다. 그 결과, 단위셀(0.04cm²)에서 광전변환효율(PCE) 17.82%를 기록했으며, 대면적 모듈(30.24cm²)에서도 13.49%의 높은 효율을 달성했다. 특히 대면적 모듈에서 필연적으로 발생하는 셀-투-모듈(Cell-to-Module, CTM) 효율 손실이 기존 26.3%에서 24.3%로 감소하는 성과를 거두었다.

문두경 교수 연구팀은 “유기 태양전지의 상용화를 위해서는 대면적 공정에서도 높은 효율을 유지하는 것이 필수적”이라며 “이번 연구에서 개발한 사전 응집 제어 기법을 활용하면 유기 태양전지 모듈에서 발생하는 대표적인 문제인 저항 증가 및 비균질한 박막 형성 문제를 해소할 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구는 대면적 유기 태양전지 모듈에서 필연적으로 발생하는 효율 저하 문제를 해결하는 실질적인 접근법을 제시했으며, 향후 롤투롤(Roll-to-Roll) 프린팅과 같은 대량 생산 공정과의 결합을 통해 상용화 가능성을 더욱 높일 것으로 기대된다.

본 연구는 건국대 화학공학부 김예찬 박사과정생이 제1저자로 참여하고, 전성재 박사, 한용운 박사, 양남규 박사과정생, 김지연 박사과정생이 공동 참여했다. 또한 과학기술정보통신부의 공공연구성과 가치창출 기술키움 사업, 산업통상자원부의 에너지인력양성 사업의 지원을 받아 수행됐다.

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